热电偶信号调节器和冷端附近的信号调节

出处:维库电子市场网 发布于:2023-12-01 16:37:39

  热电偶信号调节器示例 1—AD594/AD595
  AD594/AD595 是一款完整的热电偶信号调节器,将放大器和冷端补偿器集成到单个封装中。图 1 显示了该器件的功能框图和基本单电源连接。

 

  图 1.  AD594/AD595 框图。图片由Analog Devices提供
  该电路的基本部分是由右侧差分放大器(增益 G)、主放大器 (+A) 以及引脚 8 和 5 之间的内部电阻创建的反馈环路。左侧差分对放大热电偶电压并将其施加到反馈环路中的求和节点。 “冰点补偿”块产生冷端补偿 (CJC) 电压,并通过右侧差分对将其添加到热电偶环路中。
  您可以在AD594/AD595 数据表中找到有关该电路如何工作的详细信息。无需进一步讨论这些细节,终结果是该器件设计为直接连接到热电偶,执行冷端补偿和放大,并产生 10 mV/°C 输出。例如,将 J 型热电偶连接到 AD594,当热端温度为 50 °C 时,输出约为 500 mV。
  请注意,AD594 和 AD595 通过激光晶圆修整进行预校准,以分别匹配 J 型和 K 型热电偶的特性曲线。
  测量 AD594/AD595 中的负温度
  在上一篇文章中,我们讨论了 AD849x (也是热电偶信号调节器)即使在由单轨电源供电时也可以测量负温度。与 AD849x 不同,AD594/AD595 需要双轨电源来测量 0 °C 以下的温度。
  AD594/AD595增益校准
  AD594/AD595 的一项有趣功能是内部电路的某些重要节点可在封装引脚上使用。例如,引脚 8 连接到器件的内部反馈路径。此外,应用于右侧差分放大器的 CJC 电压可在引脚 3 和 5 处获得。通过在封装引脚上提供这些节点,我们可以拥有更灵活的信号调节器,可以根据应用进行调整要求。
  考虑到这一点,让我们看看如何在实践中使用反馈电阻器。如图 1 所示,在正常工作条件下,引脚 9 和 8 连接在一起。这将放大器输出连接到设置器件增益的内部反馈电阻。内部反馈网络经过工厂校准,可产生 10 mV/°C 输出。然而,为了调整增益,我们可以在引脚 9 和 5 之间放置一个额外的电阻。该外部电阻将与内部反馈电阻并联,从而能够调整放大器增益。我们甚至可以通过移除引脚 9 和 8 之间的连接,将内部电阻替换为外部电阻。

  图 2 说明了通过调整反馈电阻进行增益校准。

  显示通过调整反馈电阻进行增益校准的图表。
  图 2.显示通过调整反馈电阻进行增益校准的图表。图片由Analog Devices提供
  上图显示了如何使用 AD594/AD595 产生与华氏温度 (10 mV/°F) 成比例的输出。接下来,我们考虑以下温标转换方程:
  \[度\,华氏度=\frac{9}{5}(度\,摄氏度)+32\]
  从该方程中,我们可以验证我们需要将增益增加 \(\frac{9}{5}\) (以及添加适当的偏移值)以获得以 10 mV/°F 变化的输出,而不是比工厂校准值 10 mV/°C 低。
  换句话说,我们需要调整反馈电阻以获得\(10\times\frac{9}{5}=18 mV/°C\)输出。
  上图通过在引脚 9 和 8 之间放置一个微调电位器来实现这一点。对于 J 型热电偶,室温灵敏度为 51.7 μV/°C。因此,AD594 的终增益可计算为:
  \[Gain_{新}=\frac{18 mV/°C}{51.7 μV/°C}=348.16\]
  正如本应用笔记中所解释的,我们可以将交流信号 V Test施加到引脚 1 和 14,然后调整 R Gain ,直到在输出处获得 V Test ? Gain New 。
  AD594/AD595 偏移校准

  还可以向 AD594/AD595 的输出添加偏移。图 3 显示了执行偏移校准的一种方法。

  显示执行偏移校准的一种方法的图表。
  图 3. 显示执行偏移校准的一种方法的图表。图片由Analog Devices提供
  这在消除设备的残余校准误差时特别有用。 AD594/AD595 是经过修整的激光晶圆,可实现 1°C 或 3°C 的校准误差,具体取决于器件性能等级。对于要求较高的应用,可以使用上图来消除这一残余误差。 15 MΩ 电阻器略微增加了右侧差分放大器反相输入的电位。这迫使电路具有约 -3 °C 的负偏移。然后,通过连接到差分放大器非反相输入的电阻网络来校准“强制”负偏移。该校准方案确保可以使用单个单向调整来消除误差。您可以在图 2 中看到偏移校准的另一个示例。
  其他热电偶类型的温度调整
  除了调整增益和偏移之外,还可以调整内部冷端补偿器的温度系数。这使我们能够将 AD594/AD595 与其他类型的热电偶一起使用。例如,数据表解释了如何重新校准针对 J 型热电偶进行工厂校准的 AD594 以调节 E 型热电偶。
  热电偶信号调节器示例2—MAX6675
  热电偶信号调理的另一个选择是MAX6675,其功能框图如下所示。

  MAX6675 框图。

  图 4.  MAX6675 框图。图片由Maxim Integrated  (Analog Devices)提供
  MAX6675将12位ADC (模数转换器)和冷端补偿器集成到单个封装中。它可以直接连接K型热电偶,如图5所示。

  示例应用电路图。

  图 5. 示例应用电路图。图片由Maxim Integrated  (Analog Devices)提供
  该器件可以测量从 0 °C 到 1024 °C 的广泛热结温度(请注意,它不能测量负温度)。 MAX6675的冷端温度或工作温度应在-20 °C至+85 °C范围内。
  如图 4 所示,CJC 信号和热电偶输出均由 ADC 数字化。器件使用该信息执行 CJC 并读出结果(即,温度以 12 位值的形式测量到 SO 引脚)。全零序列对应于 0 °C,而全 1 序列表示热电偶处于 +1023.75 °C。
  热电偶信号调节器示例 3 — ADS1220
  作为第三个热电偶调节器选项,我想提一下,您还可以使用包含内部精密温度传感器的 ADC,而不是使用带有集成冷端补偿器的设备。 图 6 显示了使用ADS1220的示例图。

  ADS1220 框图。

  图 6.  ADS1220 框图。图片由德州仪器 (TI)提供
  ADS1220 是一款带有高精度温度传感器的 24 位 ADC,可用于测量器件温度以用于 CJC 目的。 ADS1220无法自动进行冷端补偿;然而,它可以在 ADC 之后的处理器中完成。如果无法使用内部温度传感器,例如由于其精度有限或无法将 ADC 放置在冷端附近,则可以使用 RTD 或热敏电阻来测量冷端温度。然而,这将消耗 ADC 的额外输入通道。
关键词:信号调节

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